Aufrufe
vor 1 Jahr

DER KONSTRUKTEUR 7-8/2015

DER KONSTRUKTEUR 7-8/2015

Prototypen virtuell

Prototypen virtuell erzeugen Multiphysics-Simulation am Beispiel von Elektro- und Hybridfahrzeugen Elektro- und Hybridantriebe sind komplexe Systeme, in denen viele Parameter aufeinander abgestimmt und mit Blick auf Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten optimiert werden müssen. Dazu kommen Forderungen nach immer kürzeren Entwicklungszyklen, die mit herkömmlichen Entwicklungs- und Prototyping-Methoden nicht mehr umzusetzen sind. D ie allgemeine Problemstellung bei der Entwicklung von Motoren für Elektround Hybridfahrzeuge lautet, aus vielen Design-Alternativen die richtige, sprich im Markt erfolgreiche zu finden – und das in kürzester Zeit“, erläutert Olaf Hädrich, Team Leader Customer & Sales Support bei ANSYS Germany. „Eine Lösung sind integrierte Multiphysics-Simulationsmethoden, mit denen sich Design-Alternativen in Form von virtuellen Prototypen zeitsparend entwickeln und unter Berücksichtigung realistischer Einsatzszenarien analysieren lassen.“ Hierbei entstehen virtuelle Prototypen, an denen die Entwickler das Verhalten eines Designs ablesen können, ohne dass physische Hardware benötigt wird. Realistische Betriebsszenarien lassen sich exakt simulieren – einschließlich der Wechselwirkungen zwischen Strömungen, mechanischen Strukturen, thermischen Effekten und elektromagnetischen Kräften. Mit die- sem Verfahren lassen sich Design-Alternativen schneller generieren und die Systeme können zu einem frühen Zeitpunkt im Entwicklungsprozess optimiert werden. Leistungsdaten über Simulationen definieren Mit einer Studie auf der Basis von Entwicklungs- und Leistungsdaten, die vom Oak Ridge National Laboratory in einem Report über den THS-II-Hybridmotor von Toyota veröffentlicht wurden, demonstrieren Ingenieure von ANSYS die Geschwindigkeit und Genauigkeit ihrer elektromagnetischen Simulation. Der Antrieb wird von den Japanern unter dem Markennamen Hybrid Synergy Drive (HSD) geführt und in verschiedenen Entwicklungsstufen in den Fahrzeugen Toyota Prius, Alphard, Auris, Camry, Highlander, Previa und Yaris sowie bei verschiedenen Modellen der Tochter Lexus eingesetzt. STATEMENT Dr. Michael Döppert, Chefredakteur Die Multiphysics-Simulation unterstützt Entwickler durch schnelle, genaue und verlässliche Simulationen die Herausforderungen in der Konstruktion immer komplexerer Produkte zu bewältigen. Hier gilt: Je mehr Varianten in wirtschaftlich vertretbarem Aufwand an Kosten und Zeit durchgetestet werden können, desto besser wird das Endprodukt. Mittelfristig wird die Multiphysics-Simulation zu einem Standard – wie zum Beispiel 3D-CAD – auch im Maschinenbau werden. 28 Der Konstrukteur 7-8/2015

CAD / CAM / PLM Für die Simulation erzeugten die ANSYS- Entwickler zunächst ein FEM-Modell des Antriebssystems einschließlich Batterie, IGBT-Umrichter, Fahrmotor und Steuerung. Dieses Modell wurde anschließend parametriert und mit der Software Maxwell für diverse Randbedingungen, wie Eingangsstrom, Spannung und Rotorposition, umgesetzt. Die Software berechnete aus diesen Informationen mehrere Ausgangswerte für den Motor, beispielsweise Drehmoment, Induktivität und mechanische Systemverluste. Die Gesamtheit der Daten ergibt eine so genannte ‚physics-based Solution-Domain- Map‘ – also eine Art Landkarte bestehend aus Lösungspunkten, welche die Leistungsdaten des Motors für bestimmte elektrische Eingangsgrößen definieren. Netz eines luftgekühlten zylindrischen Zellmoduls (links) und Geschwindigkeit der Luftkühlungsströmung (rechts) Hunderttausende Parametervariationen berechnen Aus vielen Design- Alternativen die beste in kürzester Zeit finden Mit Hilfe der Solution-Domain-Map als Lookup-Tabelle zur Charakterisierung des Motors modellierte das Entwicklungsteam im nächsten Schritt eine Ersatzschaltung für eine parametrische Simulation auf Systemebene mit ANSYS Simplorer, um das Motordrehmoment und die anderen Ausgangsparameter zu berechnen. Dabei wird das Maxwell-Modell durch Ordnungsreduktion erheblich vereinfacht und nur das für die Anwendung wesentlichste magnetische Verhalten abgebildet. Dadurch verringert sich die Lösungszeit um mehrere Zehnerpotenzen. Dieses reduzierte Modell wird in eine Schaltungssimulation mit Simplorer eingebracht, um danach Hunderttausende Parametervariationen zu berechnen. Die mit dieser Systemsimulation generierten Vorhersagen korrelierten gut mit den veröffentlichten Ausgangsdaten des Motors, was die Genauigkeit der Methode demonstrierte. Dieser Ansatz auf der Systemebene hat den Vorteil, dass die Vorhersagen der Motorausgangsdaten praktisch verzögerungsfrei und mit der gleichen Genauigkeit wie die FEM-Modelle, bei denen der Netzaufbau und der Lösungsvorgang mehrere Stunden dauern, erfolgen können. „Aus diesem Grund ist das Verfahren ein gutes Instrument, mit dem Entwicklungsteams zum Beispiel in der Automobilindustrie die Designs elektrischer Antriebsmotoren schnell analysieren und optimieren können, ohne zahlreiche zeitraubende physische Prototypen-Zyklen durchlaufen zu müssen“, fasst Olaf Hädrich zusammen. „Die Vorhersagen erweisen sich in den frühen Stadien der Motorentwicklung als hilfreich, um verschiedene Kombinationen von Steuerungsverfahren, Antriebswellengrößen, Magnetarten, usw. durchzuspielen und den Motor damit zu optimieren.“ www.ansys-germany.com IMPRESSUM erscheint 2015 im 46. Jahrgang, ISSN 0344-4570 Redaktion Chefredakteur: Dr. Michael Döppert (md), M.A. Tel.: 06131/992-238, (verantwortlich für den redaktionellen Inhalt) Redaktion: Dipl.-Ing. (FH) Martina Bopp (bo), Tel.: 06131/992-201, Dipl.-Geogr. Martina Laun (ml), Tel.: 06131/992-233 , Redaktionsassistenz: Gisela Kettenbach, Tel.: 06131/992-236, E-Mail: g.kettenbach@vfmz.de, Eva Helmstetter, Monika Schäfer, Ulla Winter (Redaktionsadresse siehe Verlag) Grafik und Layout Mario Wüst, Doris Buchenau, Anette Fröder, Conny Grothe, Melanie Lerch, Sonja Schirmer Chef vom Dienst Dipl.-Ing. (FH) Winfried Bauer Anzeigen Andreas Zepig, Tel.: 06131/992-206, E-Mail: a.zepig@vfmz.de Brigitte Glückler, Anzeigenverwaltung, Tel. 06131/992-249, E-Mail: b.glueckler@vfmz.de Anzeigenpreisliste Nr. 45: gültig ab 1. Oktober 2014 Leserservice: vertriebsunion meynen GmbH & Co. KG, Große Hub 10, 65344 Eltville, Tel.: 06123/9238-266 Bitte teilen Sie uns Anschriften- und sonstige Änderungen Ihrer Bezugsdaten schriftlich mit (Fax: 06123/9238-267, E-Mail: vfv@vertriebsunion.de). Preise und Lieferbedingungen: Einzelheftpreis: € 13,50 (zzgl. Versandkosten) Jahresabonnement: Inland: € 95,- (inkl. Versandkosten) Ausland: € 111,- (inkl. Versandkosten) Abonnements verlängern sich automatisch um ein weiteres Jahr, wenn sie nicht spätestens vier Wochen vor Ablauf des Bezugsjahres schriftlich gekündigt werden. Verlag Vereinigte Fachverlage GmbH Lise-Meitner-Straße 2, 55129 Mainz Postfach 100465, 55135 Mainz Tel.: 06131/992-0, Fax: 06131/992-100 E-Mail: info@engineering-news.net, www.engineering-news.net Handelsregister-Nr.: HRB 2270, Amtsgericht Mainz Umsatzsteuer-ID: DE149063659 Ein Unternehmen der Cahensly Medien Geschäftsführer: Dr. Olaf Theisen Gesellschafter: P.P. Cahensly GmbH & Co. KG, Karl-Härle-Straße 2, 56075 Koblenz Verlagsleiter: Dr. Michael Werner, Tel.: 06131/992-401 Gesamtanzeigenleiterin: Beatrice Thomas-Meyer (verantwortlich für den Anzeigenteil) Tel.: 06131/992-265, E-Mail: b.thomas-meyer@vfmz.de Vertrieb: Lutz Rach, Tel.: 06131/992-148 Druck und Verarbeitung Limburger Vereinsdruckerei GmbH, Senefelderstraße 2, 65549 Limburg Datenspeicherung Ihre Daten werden von der Vereinigten Fachverlage GmbH gespeichert, um Ihnen berufsbezogene, hochwertige Informationen zukommen zu lassen. Sowie möglicherweise von ausgewählten Unternehmen genutzt, um Sie über berufsbezogene Produkte und Dienstleistungen zu informieren. Dieser Speicherung und Nutzung kann jederzeit schriftlich beim Verlag widersprochen werden (vertrieb@vfmz.de). Die Zeitschrift sowie alle in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Mit der Annahme des redaktionellen Contents (Texte, Fotos, Grafiken etc.) und seiner Veröffentlichung in dieser Zeitschrift geht das umfassende, ausschließliche, räumlich, zeitlich und inhaltlich unbeschränkte Nutzungsrecht auf den Verlag über. Dies umfasst insbesondere das Recht zur Veröffentlichung in Printmedien aller Art sowie entsprechender Vervielfältigung und Verbreitung, das Recht zur Bearbeitung, Umgestaltung und Übersetzung, das Recht zur Nutzung für eigene Werbezwecke, das Recht zur elektronischen/digitalen Verwertung, z. B. Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen, zur Veröffentlichung in Datennetzen sowie Datenträger jedweder Art, wie z. B. die Darstellung im Rahmen von Internet- und Online-Dienstleistungen, CD-ROM, CD und DVD und der Datenbanknutzung und das Recht, die vorgenannten Nutzungsrechte auf Dritte zu übertragen, d. h. Nachdruckrechte einzuräumen. Eine Haftung für die Richtigkeit des redaktionellen Contents kann trotz sorgfältiger Prüfung durch die Redaktion nicht übernommen werden. Signierte Beiträge stellen nicht unbedingt die Ansicht der Redaktion dar. Für unverlangt eingesandte Manuskripte kann keine Gewähr übernommen werden. Grundsätzlich dürfen nur Werke eingesandt werden, über deren Nutzungsrechte der Einsender verfügt, und die nicht gleichzeitig an anderer Stelle zur Veröffentlichung eingereicht oder bereits veröffentlicht wurden. Es gelten die allgemeinen Geschäftsbedingungen. Mitglied der Informations-Gemeinschaft zur Feststellung der Verbreitung von Werbeträgern e. V. (IVW), Berlin. Der Konstrukteur 7-8/2015 29

AUSGABE